DE102006055187B3

DE102006055187B3 - Wärmekraftmaschine mit einer Ventilanordnung und Ventilsteuerung für eine solche Ventilanordnung

Info

Publication number: DE102006055187B3
Application number: DE102006055187A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Schaeffer
Original assignee: LESA Maschinen GmbH
Current assignee: LESA Maschinen GmbH
Priority date: 2006-11-23
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-11-24
Also published as: WO2008061523A2; DE112007003290A5; WO2008061523A3

Abstract

Kolbenmaschine (10), bestehend aus einem Zylinder (11) mit einem Kolbenraum (11a), in den ein an einer Pleuelstange (12a) geführter Kolben (12) ein- und ausfahrbar ist. Der Zylinder (11) weist eine Ventilöffnung (15) mit einem Ventil (17) für den Ein- und Auslass eines Arbeitsmediums (22) auf. Das Ventil (17) kann mittels eines hydraulischen Steuersystems (23) wechselweise in eine Geschlossen- und eine Offenstellung gebracht werden. Das Ventil (17) ist in einem gegen den Zylinder (11) gerichteten Ventilsitz (18) angeordnet und kann von dem Kolbenraum (11a) wegweisend geöffnet werden. Das Ventil (17) weist dabei eine Schließfläche (17a) auf, die in Geschlossenstellung bündig mit der Innenoberfläche (14) des Zylinderbodens (13) abschließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, bestehend aus einem Zylinder mit einem Kolbenraum und einem Zylinderboden, der Zylinderboden mindestens eine Ventilöffnung mit einem Ventil für den Ein- und Auslass eines Arbeitsmedium aufweist und das Ventil mittels einer Ventilsteuerung wechselweise in eine Geschlossen- und eine Offenstellung bringbar ist und das Ventil in einem gegen den Zylinder gerichteten Ventilsitz angeordnet ist und von dem Kolbenraum wegweisend öffnet.
Die Ventilsteuerung ist bei allen Kolbenmaschinen, wie Verbrennungsmotoren, Dampfmaschinen oder Kompressoren, ein immer wiederkehrendes Problem. So werden beispielsweise bei Dampfmaschinen Schiebersitzventile verwendet, die auch gegen hohen Druck zu öffnen und zu schließen sind. Bei solchen Ventilen sind aber zwischen Ventil und Kolbenraum Strömungskanäle notwendig, die zu erheblichen Wärme- und Strömungsverlusten führen.
Bei Brennkraftmaschinen hingegen haben sich Sitzventile durchgesetzt, die aber nur in eine Richtung gegen Überdruck dichten. Diese Ventile, wie sie beispielsweise aus der DE 195 42 561 C1 bekannt sind, schließen nur gegen die Druckrichtung und ragen deshalb beim Öffnen in den Kolbenraum hinein. Eine solche Ventilsteuerung ist nachteilig bei Kolbenkompressoren, bei denen ein kleinstmögliches Nullvolumen wünschenswert ist, da stets ein Restvolumen bleibt. Ein in den Kolbenraum hineinragender Ventilsitz kollidiert entweder mit dem Kolben oder er erfordert einen Extraraum, der als Restraum das Nullvolumen erheblich vergrößert.
In der US 5,709,178 ist eine Ventilanordnung für Dieselmotoren offenbart, bei der die Ventile auswärts öffnend angeordnet sind. Insbesondere sind bei Motoren nach dem Dieselarbeitsprinzip Verwirbelungskammern üblich, in denen das Treibstoffluftgemisch verwirbelt wird, um eine möglichst optimale Verbrennung zu erreichen. Ein möglichst kleines Restvolumen nahe Null ist daher nicht wünschenswert.
In der Deutschen Patentschrift 244 430 ist ein entlastetes Ventil zur Einführung verdichteter Verbrennungsluft in Hochdruckverbrennungsmaschinen offen gelegt. Hierdurch wird eine Maschine von dem hohen Arbeitsdruck im Zylinder entlastet. Auch diese Vorrichtung weist einen Verbrennungsraum auf, das Ventil schließt auch hier nicht bündig mit dem Zylinderboden ab.
Des Weiteren beschreibt die DE 197 80 488 T1 eine nach außen öffnende Ventilanordnung für Verbrennungsmotoren, die ähnlich der Ventilanordnung gemäß der US 5,709,178 ist. Bei dieser Vorrichtung wird ein Teil des Verbrennungsgases dazu verwendet, das Gaswechselventil zu steuern. Eine derartige Vorrichtung ist für Wärmekraftmaschinen ungeeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmekraftmaschine mit einer Ventilanordnung zu schaffen, die ein kleinstmögliches Nullvolumen ermöglicht und dabei energieeffizient und sicher arbeitet. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Ventilsteuerung für eine solche Ventilanordnung zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst. Insbesondere dadurch, dass das Ventil eine Schließfläche aufweist, die in Geschlossenstellung bündig mit der Innenoberfläche des Zylinderbodens abschließt. Ferner durch eine Ventilsteuerung für eine Wärmekraftmaschine, wobei das Ventil mittels eines hydraulischen Steuersystems nach Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens in den Druckraum des Arbeitsmediums öffnet und das hydraulische Steuersystem über eine Druckausgleichsleitung mit einem Druckausgleichssystem permanent verbunden ist und das Druckausgleichssystem ein mit Hydrauliköl gefülltes Gehäuse aufweist, in dem ein Exzenter rund umlaufend gelagert ist, das Hydrauliköl mit einem unter einem permanenten Gaspolster stehenden Ölvorratsbehälter verbunden ist und der Exzenter im Gleichlauf mit der Kolbenmaschine den Ölvorratsbehälter über ein Rückschlagventil Druck ausgleichend mit dem hydraulischen Steuersystem verbindet. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand des Unteranspruches.
Durch diese Maßnahmen wird eine Wärmekraftmaschine mit einer Ventilanordnung und eine Ventilsteuerung für eine solche Ventilanordnung geschaffen, bei der das Ventil beim öffnen nicht in den Kolbenraum hineinragt und der Kolben in seinem oberen Totpunkt praktisch bis an den Zylinderboden heranreichen kann; das Restvolumen tendiert dabei gegen Null. Des Weiteren wird eine Ventilsteuerung geschaffen, die diese vorteilhafte Ventilanordnung ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Ausführung ist es vorgesehen, die Ventilöffnung in dem Zylinderboden anzuordnen, wobei das Ventil eine Schließfläche aufweist, die in Geschlossenstellung bündig mit der Innenoberfläche des Zylinderbodens abschließt.
Gesteuert wird das Ventil dabei von einem hydraulischen Steuersystem, das über eine Druckausgleichsleitung permanent mit einem Druckausgleichssystem verbunden ist.
Das Druckausgleichssystem umfasst ein mit Hydrauliköl gefülltes Gehäuse, in dem ein exzentrisch gelagertes Steuerteil rundumlaufend gelagert ist. Zum Druckausgleich steht das Hydrauliköl mit einem unter einem permanenten Druckpolster stehenden Ölvorratsbehälter in Verbindung, und das exzentrische Steuerteil verbindet den Ölvorratsbehälter im Gleichlauf mit der Kolbenma schine über ein Rückschlagventil mit dem hydraulischen Steuersystem.
Die Steuerung erfolgt durch einen Nocken, der auf einer mit der Kolbenmaschine synchron laufenden Kurbelwelle angebracht ist. Der Nocken betätigt über eine Rolle einen Hydraulikkolben. Dieser Hydraulikkolben verschiebt das Hydrauliköl durch eine Rohrleitung bis zu dem Ventil, wo es mittels eines weiteren Kolbens dessen Bewegung auslöst. Bei einem Druck von bis zu 300 bar können sehr große Kräfte auf relativ kleine Kolben übertragen werden, da die Durchströmmenge je Betätigung sehr gering ist. Dadurch werden Schaltzeiten im Millisekundenbereich ermöglicht.
Um eine präzise Bewegung des Ventils zu erreichen, muss die Ölmenge in dem System präzise und konstant gehalten werden. Dazu wird das Ventil über das Rückschlagventil mit dem Ölvorratsbehälter verbunden, der unter einem konstanten Gasdruckpolster steht. Geht in dem System Hydrauliköl, beispielsweise durch Leckage, verloren, so wird dieser Verlust durch nachströmendes Öl aus dem Vorratsbehälter ausgeglichen. Steigt der Druck bei Betätigung der Ventilsteuerung wieder an, so sperrt das Rückschlagventil das Steuersystem gegen den Druckbehälter ab. Dehnt sich das Öl durch Erwärmung aus, so kann es über das Rückschlagventil in den Vorratsbehälter entlassen werden. Dazu wird das Rückschlagventil im Augenblick der Systemruhe, also bei Druckminimum, gegen die Sperrrichtung geöffnet und der Druckausgleich zwischen dem Steuersystem und dem Vorratsbehälter kann erfolgen.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der beiliegenden Zeichnung darge stellt und wird nachfolgend näher beschrieben; es zeigt:
1 die schematische Darstellung einer Kolbenmaschine, in der Stellung des Kolbens in seinem oberen Totpunkt (OT), wobei sich der Kolben unmittelbar am Zylinderboden befindet und das hydraulische Steuersystem das Ventil aus dem Kolbenraum heraus geöffnet hat;
2 die schematische Darstellung einer Kolbenmaschine nach 1, mit hydraulischem Steuersystem und den Kolbenraum abschließender, geschlossener Stellung des Ventils;
3 die schematische Darstellung eines permanenten Druckausgleichssystems für eine Ventilsteuerung eines Ventils nach der 1.
Die in den 1 und 2 schematisch dargestellte Kolbenmaschine 10, beispielsweise eine Dampfmaschine, besteht im Wesentlichen aus einem Zylinder 11 mit einem Kolbenraum 11a, in dem ein Kolben 12 an einer Pleuelstange 12a hin- und her bewegbar ist. Der Kolben 12 wirkt über die Pleuelstange 12a auf eine nicht dargestellte Kurbelwelle, mit der seine Hin- und Herbewegung in eine Drehbewegung umgesetzt werden kann. Diese Drehbewegung der Kurbelwelle kann beispielsweise zum Antrieb eines Drehstromgenerators zur Stromerzeugung verwendet werden.
Der Zylinder 11 weist einen Zylinderboden 13 auf, in dem eine Ventilöffnung 15 vorgesehen ist. Die Ventilöffnung 15 kann mit einem an einem Ventilstößel 16 befestigten Ventil 17 verschlossen und geöffnet werden.
Das Ventil 17 weist eine Schließfläche 17a auf, die bündig mit der Innenoberfläche 14 des Zylinderbodens 13 abschließt.
Die Ventilöffnung 15 ist mit einem Ventilsitz 18 versehen, der eine nach außen gerichtete, das heißt von dem Kolbenraum 11a des Zylinders 11 wegweisende, Konizität 18a aufweist. Dem Ventilstößel 16 ist eine Rückstellfeder 19 zugeordnet, mit der das Ventil 17 in Geschlossenstellung gebracht werden kann.
Auf der dem Ventil 17 entgegengesetzten Seite ist der Ventilstößel 16 mit einem Ventilkolben 20 versehen. Der Ventilkolben 20 weist eine Kolbendruckfläche 21 auf, über die das Ventil 17 mittels eines hydraulischen Steuersystems 23 gesteuert werden kann. Zum Öffnen wird das Ventil 17 in den Druckraum 22a eines vor dem Zylinder 11 anstehenden Arbeitsmediums 22 bewegt. Das Arbeitsmedium 22 ist beispielsweise Dampf. Nach dem Schließen kann das Ventil 17 von dem Steuersystem 23 hydraulisch blockiert werden.
Das hydraulische Steuersystem 23 besteht im Wesentlichen aus einem Hydraulikzylinder 24, in dem ein Hydraulikkolben 25 hin und her bewegbar ist. Der Hydraulikkolben 25 wird von einem Steuerstößel 26 betätigt. Der Steuerstößel 26 ist ein einstückig angeformtes Teil eines Kniehebels 32, der um eine Schwenkachse 33 verschwenkt werden kann.
Der Kniehebel 32 ist mit einer Steuerrolle 27 versehen, die um eine Achswelle 27a drehbar auf einer Kurbelwelle 29 läuft. Die Kurbelwelle 29 ist mit einem Nocken 28 versehen, mit dem der Kniehebel 32 beim Überfahren von der Steuerrolle 27 verschwenkt werden kann.
Zum Verschwenken des Kniehebels 32 wird die Steuerrolle 27, die auf der Kurbelwelle 29 läuft, von den Nocken 28 angehoben. Beim Anheben der Steuerrolle 27 wird der Kniehebel 32 um die Schwenkachse 33 verschwenkt und der Steuerstößel 26 gegen den Hydraulikkolben 25 gedrückt. Dabei wird Hydrauliköl 30 durch eine Druckausgleichsleitung 31 gegen die Kolbendruckfläche 21 des Ventilkolbens 20 geleitet und das Ventil 17 mit dem Ventilstößel 16 betätigt. Verlässt die Steuerrolle 27 den Nocken 28 wieder, so drückt die Rückstellfeder 19 den Ventilkolben 20 und den Hydraulikkolben 25 wieder zurück in ihre Ausgangslagen.
Wie die 3 zeigt, ist die Druckausgleichsleitung 31 mit einem Druckausgleichssystem 34 verbunden. Das Druckausgleichssystem 34 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 38, das mit Hydrauliköl 30 gefüllt ist. In dem Gehäuse 38 eine Welle 35 angeordnet, die mit der Kurbelwelle 29 synchron läuft. Auf der Welle 35 sitzt ein Exzenter 39, der in einem Kugellager 40 rundum läuft.
Das Gehäuse 38 ist über eine Ölausgleichsleitung 36a mit einem Ölvorratsbehälter 36 verbunden. In dem Ölvorratsbehälter 36 wird Hydrauliköl 30 bevorratet und mit einem Gaspolster 37 von etwa 3 bis 5 bar unter einem konstanten Druck gehalten; das Gas ist vorzugsweise Luft.
Das Kugellager 40 weist einen Außenring 40a auf, auf dem bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei gegenüberliegende Ventilstößel 42 und 42a zweier Rückschlagventile 41 und 41a laufen. Die Rückschlagventile 41 und 41a sind mit Ventilkörpern 43 bzw. 43a versehen und werden von Ventilfedern 45 bzw. 45a in ihren Ventilsitzen 44 bzw. 44a gehalten. Eine solche doppelte Ventilanordnung ist beispielsweise für doppelt wirkende Dampfmaschinen mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen vorgesehen.
Die Ventilstößel 42 bzw. 42a öffnen die Ventilkörper 43 bzw. 43a bei jedem Durchlauf, so dass ein permanenter Druckausgleich zwischen dem hydraulischen Steuersystem 23 für die Steuerung des Ventils 17 und dem Ölvorratsbehälter 36 erfolgen kann. Bei Ölverlust in dem hydraulischen Steuersystem 23 kann dadurch aus dem Ölvorratsbehälter 36 Hydrauliköl 30 nachgespeist werden.
Bei erwärmungsbedingter Volumenvergrößerung des Hydrauliköls 30 in dem hydraulischen Steuersystem 23 kann das auftretende Mehrvolumen über die Ventilkörper 43 bzw. 43a in den Ölvorratsbehälter 36 abgegeben werden. Dadurch ist eine stets exakte, auf die Millisekunde genaue Steuerung des Ventils 17 gewährleistet.

10: Kolbenmaschine (Wärmekraftmaschine)
11: Zylinder
11a: Kolbenraum
12: Kolben
12a: Pleuelstange
13: Zylinderboden
14: Innenoberfläche
15: Ventilöffnung
16: Ventilstößel
17: Ventil
17a: Schließfläche
18: Ventilsitz
18a: Konizität
19: Rückstellfeder
20: Ventilkolben
21: Kolbendruckfläche
22: Arbeitsmedium
22a: Druckraum
23: hydraulisches Steuersystem
24: Hydraulikzylinder
25: Hydraulikkolben
26: Steuerstößel
27: Steuerrolle
27a: Achswelle
28: Nocken
29: Kurbelwelle
30: Hydrauliköl
31: Druckausgleichsleitung
32: Kniehebel
33: Schwenkachse
34: Druckausgleichssystem
35: Welle
36: Ölvorratsbehälter
36a: Ölausgleichsleitung
37: Gaspolster
38: Gehäuse
39: Exzenter
40: Kugellager
40a: Außenring
41, 41a: Rückschlagventil
42, 42a: Ventilstößel
43, 43a: Ventilkörper
44, 44a: Ventilsitz
45, 45a: Ventilfeder

Claims

Wärmekraftmaschine, bestehend aus einem Zylinder mit einem Kolbenraum und einem Zylinderboden, wobei der Zylinderboden mindestens eine Ventilöffnung mit einem Ventil für einen Einund Auslass eines Arbeitsmedium aufweist und das Ventil mittels einer Ventilsteuerung wechselweise in eine Geschlossen- und eine Offenstellung bringbar ist und das Ventil in einem gegen den Zylinder gerichteten Ventilsitz angeordnet ist und von dem Kolbenraum wegweisend öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (17) eine Schließfläche (17a) aufweist, die in Geschlossenstellung bündig mit der Innenoberfläche (14) des Zylinderbodens (13) abschließt.
Ventilsteuerung für eine Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei das Ventil (17) mittels eines hydraulischen Steuersystems (23) nach Erreichen des oberen Totpunktes eines Kolbens (12) in einen Druckraum (22a) eines Arbeitsmediums (22) öffnet und das hydraulische Steuersystem (23) über eine Druckausgleichsleitung (31) mit einem Druckausgleichssystem (34) permanent verbunden ist und das Druckausgleichssystem (34) ein mit Hydrauliköl (30) gefülltes Gehäuse (38) aufweist, in dem ein Exzenter (39) rund umlaufend gelagert ist, das Hydrauliköl (30) mit einem unter einem permanenten Gaspolster (37) stehenden Ölvorratsbehälter (36) verbunden ist und der Exzenter (39) im Gleichlauf mit der Wärmekraftmaschine (10) den Ölvorratsbehälter (36) über ein Rückschlagventil (41, 41a) Druck ausgleichend mit dem hydraulischen Steuersystem (23) verbindet.
Ventilsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (39) mit der Wärmekraftmaschine (10) synchron läuft und mehrere Rückschlagventile (41, 41a) steuert.